AutowireCapableBeanFactory探密(1)—

起因

群里有朋友抛出了个问题，问为什么Spring Cache注解未生效，示例代码如下：

@RunWith(SpringRunner.class)
@SpringBootTest
@Slf4j
public class DemoApplicationTests {
    @Test
    public void contextLoads() {
        testGetFromDB(1);
        testGetFromDB(1);
        testGetFromDB(1);
    }

    @Cacheable("foo")
    public String testGetFromDB(Integer i) {
        log.info("testGetFromDB...");
        return "retVal" + i;
    }
}

我说，你把@Cacheable注解的方法搬到别的类，然后再试试，结果，好了

大家如果有过类似经验，大概能一眼看出问题所在：Spring AOP方法内部调用，切面逻辑是不生效的(动态代理)。解决方案有两个，一是AopContext#currentProxy，二是在当前类中注入自己，再用该对象进行方法内部调用

但实际上，这里隐藏了一个问题，即便通过上述的两种方式，在本案例中，@Cacheable仍然不会生效。第一种方式会因获取到的proxy对象为空而抛出IllegalStateException异常，第二种方式会因获取不到DemoApplicationTestsBean而抛出NoSuchBeanDefinitionException异常

public static Object currentProxy() throws IllegalStateException {
    Object proxy = currentProxy.get();
    if (proxy == null) {
        throw new IllegalStateException(
                "Cannot find current proxy: Set 'exposeProxy' property on Advised to 'true' to make it available.");
    }
    return proxy;
}

NoSuchBeanDefinitionException: No qualifying bean of type 'com.example.demo.DemoApplicationTests' available

这就很诡异了，为啥会获取不到？难道IOC容器里没有DemoApplicationTests对象？可是，如果没有这个对象，那平时写单测的时候，那些@Resouce、@Autowired、@Value注解(Spring称为:annotation-driven injection)又是如何生效的，Bean是如何注入的呢

实际上，IOC容器里还真没有DemoApplicationTests对象，也就是说，Spring在IOC容器里压根找不到该Bean，也就不难理解方式一、二都抛了异常。

在一般的认知中，如果某个Bean想使用Spring的功能，需要让Bean注册到Spring IOC容器中，被Spring管理。那么问题就来了，既然Spring 并没有管理DemoApplicationTestsBean，那annotation-driven injection是如何生效的呢？

解决方案

AutowireCapableBeanFactory

1. BeanFactory的直接子接口，拥有自动装配的能力
2. 一般不会在普通应用中直接使用AutowireCapableBeanFactory，因此在设计上ApplicationContext们并没有直接实现该接口(画外音：Spring的设计者们不希望用户在应用代码中直接使用AutowireCapableBeanFactory)。尽管如此，却提供了该问该接口的能力：通过ApplicationContext#getAutowireCapableBeanFactory方法可拿到其实例对象
3. 它真正的作用在于整合其它框架：能让Spring管理的Bean去装配和填充那些不被Spring托管的Bean(wire and populate existing bean instances that Spring does not control the lifecycle of)[重要]

原理

源码基于Spring 5.1.11.RELEASE

当在Junit测试类使用spring-test\spring-boot-test注解(如:@SpringBootTest)，并启动测试方法时，Junit框架会准备相关的测试资源，并且加载Spring环境，之后对测试类实例使用Spring进行装配，以保证依赖的服务处于可用状态。测试方法启动过程会经历如下方法：

// org.springframework.test.context.support.DependencyInjectionTestExecutionListener

protected void injectDependencies(TestContext testContext) throws Exception {
    Object bean = testContext.getTestInstance(); // 测试类实例
    Class<?> clazz = testContext.getTestClass(); // 测试类class(DemoApplicationTests)
    AutowireCapableBeanFactory beanFactory = testContext.getApplicationContext().getAutowireCapableBeanFactory();
    // 1. 使用AutowireCapableBeanFactory去装配不受Spring管理的bean
    beanFactory.autowireBeanProperties(bean, AutowireCapableBeanFactory.AUTOWIRE_NO, false);
    // 2. 进行初始化
    beanFactory.initializeBean(bean, clazz.getName() + AutowireCapableBeanFactory.ORIGINAL_INSTANCE_SUFFIX);
    
    testContext.removeAttribute(REINJECT_DEPENDENCIES_ATTRIBUTE);
}

从上述源码中可以看到，Bean(DemoApplicationTests)是从testContext中获取，而并没有被Spring管理，然后借助AutowireCapableBeanFactory的能力对Bean进行装配与初始化，让Spring为非Spring托管的Bean赋能

其中，对于@Resouce、@Autowired注入的能力，是通过beanFactory.autowireBeanProperties(bean, AutowireCapableBeanFactory.AUTOWIRE_NO, false);来实现的，代码如下：

public void autowireBeanProperties(Object existingBean, int autowireMode, boolean dependencyCheck) throws BeansException {
    if (autowireMode == AUTOWIRE_CONSTRUCTOR) {
        throw new IllegalArgumentException("AUTOWIRE_CONSTRUCTOR not supported for existing bean instance");
    }
    // Use non-singleton bean definition, to avoid registering bean as dependent bean.
    RootBeanDefinition bd =
            new RootBeanDefinition(ClassUtils.getUserClass(existingBean), autowireMode, dependencyCheck);
    bd.setScope(BeanDefinition.SCOPE_PROTOTYPE);
    BeanWrapper bw = new BeanWrapperImpl(existingBean);
    initBeanWrapper(bw);
    // 填充属性
    populateBean(bd.getBeanClass().getName(), bd, bw);
}

接着看populateBean方法，该方法作用是为给定的bean填充属性，相信大家已经很熟悉这段代码了，篇幅原因，把非关键代码省略

protected void populateBean(String beanName, RootBeanDefinition mbd, @Nullable BeanWrapper bw) {
    // ...(省略)
    for (BeanPostProcessor bp : getBeanPostProcessors()) {
        if (bp instanceof InstantiationAwareBeanPostProcessor) {
            InstantiationAwareBeanPostProcessor ibp = (InstantiationAwareBeanPostProcessor) bp;
            // @Resouce、@Autowired 注解起作用的地方
            PropertyValues pvsToUse = ibp.postProcessProperties(pvs, bw.getWrappedInstance(), beanName);
            if (pvsToUse == null) {
                if (filteredPds == null) {
                    filteredPds = filterPropertyDescriptorsForDependencyCheck(bw, mbd.allowCaching);
                }
                pvsToUse = ibp.postProcessPropertyValues(pvs, filteredPds, bw.getWrappedInstance(), beanName);
                if (pvsToUse == null) {
                    return;
                }
            }
            pvs = pvsToUse;
        }
    }
    // ...(省略)
}

@Resouce、@Autowired注解之所以能生效，是因为最终执行了PropertyValues pvsToUse = ibp.postProcessProperties(pvs, bw.getWrappedInstance(), beanName);这一行代码。有两个InstantiationAwareBeanPostProcessor分别是CommonAnnotationBeanPostProcessor、AutowiredAnnotationBeanPostProcessor，分别用于处理@Resouce、@Autowired，达到属性填充的目的

接下来看看AutowireCapableBeanFactory接口，一共有6个属性，15个方法

public interface AutowireCapableBeanFactory extends BeanFactory {

// ---------------------- 属性 ----------------------
    // 装配模式
    int AUTOWIRE_NO = 0;

    int AUTOWIRE_BY_NAME = 1;

    int AUTOWIRE_BY_TYPE = 2;

    int AUTOWIRE_CONSTRUCTOR = 3;

    // @deprecated as of Spring 3.0
    int AUTOWIRE_AUTODETECT = 4;

    String ORIGINAL_INSTANCE_SUFFIX = ".ORIGINAL";

// ---------------------- 方法 ----------------------

    <T> T createBean(Class<T> beanClass) throws BeansException;

    void autowireBean(Object existingBean) throws BeansException;

    Object configureBean(Object existingBean, String beanName) throws BeansException;

    Object createBean(Class<?> beanClass, int autowireMode, boolean dependencyCheck) throws BeansException;

    Object autowire(Class<?> beanClass, int autowireMode, boolean dependencyCheck) throws BeansException;

    void autowireBeanProperties(Object existingBean, int autowireMode, boolean dependencyCheck)
            throws BeansException;

    void applyBeanPropertyValues(Object existingBean, String beanName) throws BeansException;

    Object initializeBean(Object existingBean, String beanName) throws BeansException;

    Object applyBeanPostProcessorsBeforeInitialization(Object existingBean, String beanName)
            throws BeansException;

    Object applyBeanPostProcessorsAfterInitialization(Object existingBean, String beanName)
            throws BeansException;

    void destroyBean(Object existingBean);

    <T> NamedBeanHolder<T> resolveNamedBean(Class<T> requiredType) throws BeansException;

    Object resolveBeanByName(String name, DependencyDescriptor descriptor) throws BeansException;

    Object resolveDependency(DependencyDescriptor descriptor, @Nullable String requestingBeanName) throws BeansException;

    Object resolveDependency(DependencyDescriptor descriptor, @Nullable String requestingBeanName,
            @Nullable Set<String> autowiredBeanNames, @Nullable TypeConverter typeConverter) throws BeansException;

}

5个AUTOWIRE_*指的是装配模式，接口方法中的autowireMode参数取值就从这5个里边选择

• int AUTOWIRE_NO = 0;不装配
• int AUTOWIRE_BY_NAME = 1;根据名称装配
• int AUTOWIRE_BY_TYPE = 2;根据类型装配
• int AUTOWIRE_CONSTRUCTOR = 3;根据构造器装配
• int AUTOWIRE_AUTODETECT = 4;从Spring 3.0就过期了，不作介绍

还有1个属性String ORIGINAL_INSTANCE_SUFFIX = ".ORIGINAL";，该属性是一种约定俗成的用法：以类全限定名+.ORIGINAL 作为Bean Name，用于告诉Spring，在初始化的时候，需要返回原始给定实例，而别返回代理对象

上面的方法看似挺多，经过分类之后，也能比较好理解与记忆。其实从方法的命名上也能看出来各自的作用，这也是Spring框架优秀让人着迷的地方之一：方法命名在很多时候能让人见名知义，足够抽象而又不失准确的概括。按照接口提供能力的粒度，大体上分为三类：

1. 粗粒度创建、装配Bean的方法

<T> T createBean(Class<T> beanClass) throws BeansException;
void autowireBean(Object existingBean) throws BeansException;
Object configureBean(Object existingBean, String beanName) throws BeansException;

2. 细粒度控制Bean生命周期的方法(创建、装配Bean的过程涉及Bean的生命周期)。细粒度体现在两个方面，一是提供了可选的装配模式(autowireMode)，二是把装配Bean的过程细化为 属性填充(populateBean) 与 初始化(initializeBean) 两个阶段。此外，还提供了BeanPostProcessors的前后置处理逻辑回调，以及销毁Bean的逻辑回调。

Object createBean(Class<?> beanClass, int autowireMode, boolean dependencyCheck) throws BeansException;
Object autowire(Class<?> beanClass, int autowireMode, boolean dependencyCheck) throws BeansException;
void autowireBeanProperties(Object existingBean, int autowireMode, boolean dependencyCheck) throws BeansException;
void applyBeanPropertyValues(Object existingBean, String beanName) throws BeansException;
Object initializeBean(Object existingBean, String beanName) throws BeansException;
Object applyBeanPostProcessorsBeforeInitialization(Object existingBean, String beanName) throws BeansException;
Object applyBeanPostProcessorsAfterInitialization(Object existingBean, String beanName) throws BeansException;
void destroyBean(Object existingBean);

3. 解析注入点的代理方法，这些方法是辅助类方法，一般不需要直接使用

<T> NamedBeanHolder<T> resolveNamedBean(Class<T> requiredType) throws BeansException;
Object resolveBeanByName(String name, DependencyDescriptor descriptor) throws BeansException;
Object resolveDependency(DependencyDescriptor descriptor, @Nullable String requestingBeanName) throws BeansException;
Object resolveDependency(DependencyDescriptor descriptor, @Nullable String requestingBeanName, @Nullable Set<String> autowiredBeanNames, @Nullable TypeConverter typeConverter) throws BeansException;

上面是官方的分法，下面将按照接口的功能进行划分

1. 创建Bean
   • createBean(Class<T> beanClass): 用给定的class创建一个Bean实例，完整经历一个Bean创建过程的生命周期节点回调，但不执行传统的autowiring
     • 提供autowire(Class<?> beanClass, int autowireMode, boolean dependencyCheck)所有能力
     • 提供initializeBean(Object existingBean, String beanName)所有能力
   • createBean(Class<?> beanClass, int autowireMode, boolean dependencyCheck): 与上边类似，主要区别是可以指定autowireMode，即可能会执行传统的autowiring
2. 属性装配
   • autowireBean(Object existingBean): 主要用于(再次)填充指定Bean被注解的元素或方法(如@Resource @Autowired)，不执行传统的autowiring
     • 执行InstantiationAwareBeanPostProcessor的后置处理逻辑，因为这是在populateBean()中执行的
     • 不执行传统的autowiring
     • 不执行initializeBean方法，因此也就不执行标准的BeanPostProcessor
   • autowireBeanProperties(Object existingBean, int autowireMode, boolean dependencyCheck): 与上边类似，主要区别是可以指定autowireMode，即可能会执行传统的autowiring
   • autowire(Class<?> beanClass, int autowireMode, boolean dependencyCheck): 与上边类似，主要区别是该方法首个入参是Class，框架会帮我们实例化，而上边是已实例化的对象
3. 初始化
   • initializeBean(Object existingBean, String beanName): 初始化给定的Bean
     • 执行invokeAwareMethods方法(xxxAware，如BeanNameAware)
     • 执行BeanPostProcessor前置处理逻辑
     • 执行invokeInitMethods进行初始化，如InitializingBeanorg#afterPropertiesSet等
     • 执行BeanPostProcessor后置处理逻辑
4. 配置Bean
   • configureBean(Object existingBean, String beanName): 作为initializeBean的超集存在，功能跟createBean(Class<T> beanClass)类似，但要求beanName对应的BeanDefinition存在，否则会抛出NoSuchBeanDefinitionException异常，使用场景很少
5. 销毁Bean
   • destroyBean(Object existingBean): 销毁Bean前，执行DestructionAwareBeanPostProcessor与DisposableBean等的销毁逻辑，用于资源回收
6. 对Bean初始化前后应用逻辑处理器
   • applyBeanPostProcessorsBeforeInitialization: 执行BeanPostProcessor前置处理逻辑
   • applyBeanPostProcessorsAfterInitialization: 执行BeanPostProcessor后置处理逻辑
   • applyBeanPropertyValues: 真正执行Bean属性值的填充
7. 解析方法，辅助类方法
   • resolveNamedBean(Class<T> requiredType): 根据传入的类型，从Spring容器(包括父子容器)中查找出指定类型下唯一的Bean，并将beanName与beanInstance包装成NamedBeanHolder对象返回。如果该类型下有不止一个对象(非唯一)，返回null。该方法其实是BeanFactory#getBean(java.lang.Class<T>)方法的变种，二者底层实现是一样的
   • resolveBeanByName(String name, DependencyDescriptor descriptor): 根据name跟descriptor解析出一个Bean实例，该方法是BeanFactory#getBean(java.lang.String, java.lang.Class<T>)方法的变种
   • resolveDependency(DependencyDescriptor descriptor, @Nullable String requestingBeanName): 直接调用下边的方法
   • resolveDependency(DependencyDescriptor descriptor, @Nullable String requestingBeanName,
     @Nullable Set<String> autowiredBeanNames, @Nullable TypeConverter typeConverter): 解析Bean依赖，非常重要的方法

AbstractAutowireCapableBeanFactory是AutowireCapableBeanFactory的一个抽象实现类，该类的源码如果不往更底层看，其实还是比较简单(简洁)的，大家以前学习Spring Bean生命周期的时候应该见到过，因此也就不贴源码了，感兴趣的同学可以自行翻看一下

除了Junit，还有Quartz定时任务框架，与Spring集成的时候，也会用上AbstractAutowireCapableBeanFactory。原因是定时任务Job一般需要借助Spring 管理的Service来进行业务逻辑的处理，但Job本身并没有交给Spring管理，而是通过反射生成实例，因此想要借用@Resouce等注解，就得让AbstractAutowireCapableBeanFactory为Job Bean 做自动装配。具体分析可参看此处

总结

Spring 提供了一种机制，能够为第三方框架赋能，让Spring管理的Bean去装配和填充那些不被Spring托管的Bean，这种机制叫AutowireCapableBeanFactory。目前了解到的有两款著名的开源框架Junit与Quartz借用了这种机制为自己赋能，达到更好地与Spring契合协作的目的，也从他们的整合姿势中学习到，当我们需要设计一个框架，而且需要拥抱Spring生态，为框架使用者提供更便利的无缝整合，需以微内核 + 插件机制思想，由内核层想办法拿到AutowireCapableBeanFactory，并在构造插件的时候，借助AutowireCapableBeanFactory去为插件赋能，做到无限扩展的可能性